物料搬運機械手結構設計和實現(xiàn) 機械制造專業(yè)

中文摘要摘要：本文主要進行了物料搬運機械手結構的設計。調查了國內外機械手發(fā)展的現(xiàn)狀，了解了物料搬運機械手主要用于自動生產線上的上、下料。本機械手以交流伺服電機和氣缸為動力源，交流伺服電機易于實現(xiàn)轉速的控制，無桿氣缸可以節(jié)省安裝空間以及實現(xiàn)大行程。其工作方向為三個直線方向，以交流伺服電機驅動滾珠絲杠副使X、Y軸工作臺做往復直線運動，以無桿氣缸驅動Z軸工作臺做上下往復直線運動，以及驅動氣動手爪實現(xiàn)對物料的夾持。本文是對整個設計工作較全面的介紹、分析和總結。關鍵詞：機械手結構設計電機氣缸滾珠絲杠英文摘要TitleMaterialHandlingManipulatorStructureDesignAbstractThisarticlemainlyhascarriedonthestructureofthematerialhandlingmanipulatordesign.Investigatedthestatusofdevelopmentoftherobotathomeandabroad,tounderstandthematerialhandlingmanipulatorismainlyusedinautomaticproductionlineofupperandlowermaterial.Thismanipulatorbyacservomotorandcylinderaspowersupply,acservomotoriseasytorealizethespeedcontrol,rodlesscylindercansaveinstallationspace,andmakingabigtrip.Theworkingdirectionforthreestraightdirection,inordertoexchangetheservomotordrivenballscrewagreementX,Yworktabledoreciprocatinglinearmotion,driventorodlesscylinderZaxisworkbenchdoupanddownreciprocatinglinearmotion,anddrivegastoclawclampingofthematerial.Thispaperisacomprehensiveintroductiontothewholedesignwork,analysisandsummary.KeywordsManipulator;Structuredesign;Motor;Cylinder;Ballscrew目錄TOC\o"1-3"\h\u4502前言 18354第一章緒論 2323361.1工業(yè)機械手的應用 2106261.1.1工業(yè)機械手的應用簡況 2279461.1.2機械手的應用意義 3237241.2工業(yè)機械手的發(fā)展 3401.2.1工業(yè)機械手的發(fā)展歷史 470031.2.2機械手的發(fā)展趨勢 5260471.3本文的結構 727597第二章物料搬運機械手總體設計方案 8159712.1設計目標 869282.2總體方案分析 8163052.2.1搬運機械手的組成 8148532.2.2機械系統(tǒng)設計分析 925162.3物料搬運機械手的運動及驅動方式 9142632.3.1機械手的運動 923162.3.2機械手的驅動 1011070第三章機械系統(tǒng)的設計 12195933.1氣缸的選擇 12127263.2氣爪的選擇 15176503.3絲杠的設計 16105323.3.1Y軸絲杠的設計選型 18123683.3.2X軸絲杠的設計選型 2059403.4導軌的選擇 22261733.5電機的選擇 24172063.5.1Y軸電機的設計選型 2537073.5.2X軸電機的設計選型 2912293.6軸承的選擇 32239103.7其他零件的設計 335405第四章結論 343297致謝 3524202參考文獻 36附件1：物料搬運機械手結構總裝配圖附件2：物料搬運機械手結構零件圖附件3：畢業(yè)論文光盤資料前言隨著科學技術的高速發(fā)展和社會的進步，自動化控制有著普遍的應用，如自動化機床的控制，計算機系統(tǒng)，工業(yè)機器人和機械手等。而工業(yè)機器人和機械手是比較新式的電子機械設備，它正開始轉變現(xiàn)代科技化工業(yè)面目。機械手就是用機器替代人手，把物料從某個地點搬到指定的位置，或按照預期要求來控制工件進行加工，極大地降低了人的勞動強度，并且增加了工作效率并降低了產品的成本，對現(xiàn)代社會的發(fā)展起到極大的作用，但大多數工業(yè)機器人只是在危險地帶、噪音大、高壓、多粉塵、高溫、空間狹窄等不適合人工作的地方。還有它可按照預定的工作程序完成規(guī)定的動作，但還不配備傳感反饋功能，不能隨機應變。若發(fā)生一些偏差時，就將造成零部件的損壞。針對于上面多個領域機器人系統(tǒng)的實踐和研究對機器人系統(tǒng)也提出更高更好的要求。世界各國的機器人學科學家都在為機器人的更高的智能化和更好的適應性而研究著。現(xiàn)在市面上大部分都是非開放系統(tǒng)的機器人，由于修改非開放系統(tǒng)是非常困難的。所以研究和使用具有開放結構的機器人系統(tǒng)才是機器人發(fā)展的根本。這樣才能讓更多的人去了解和學習，才能有更好的發(fā)展。由于很多原因，我國的機器人機器人機械手技術的研究進展較為緩慢。目前我國有規(guī)劃地從國外引進各種機器人技術，通過仿造、改進、創(chuàng)新，相信我國的工業(yè)機器人研究將會取得飛速的進展。國內通過機器人技術攻關，已具備了生產部分機器人的能力，但國產機的不管在技術上，還是可靠性上，都落后國外機器人很大的距離，要盡快縮小這些距離，走一條開放型的自主科研道路勢在必行。本設計按所要求的功能及理論分析，設計了由電機和氣缸驅動的直角坐標式三自由度機械手，可以使物料從某個地點沿指定路線搬運至預定位置，以實現(xiàn)搬運的功能。

第一章緒論工業(yè)機械手的應用1.1.1工業(yè)機械手的應用簡況工業(yè)機械手是近幾十年來成長起來的高技術含量的自動生產作業(yè)機器。機械手也是機器人的一種，它能按預期要求把物料從某個地點搬到指定的位置，或按照預期要求來控制工件進行加工，它發(fā)展的方向是更高智能化和更好的適應性。機械手動作的精準性和各種環(huán)境中完成動作的情況，在現(xiàn)代經濟中有著非常巨大的發(fā)展前景。機械手的成長在于它的巨大作用，作用如下：機械手能大幅度降低人的勞動強度；機械手能按預期要求進行物料的搬運；機械手可以使用各種機器用來進行裝配和焊接，從而極大減少人的勞動，明顯提升了生產率，由于其不會像人產生疲勞，所以工作效率也得到了很大的提高。因此，世界各國都很重視機械手的發(fā)展，調用很大的資源去研究它。特別是在危險地帶、噪音大、高壓、多粉塵、高溫、空間狹窄等的不適合人工作的場合，我國的機械手研究發(fā)展也較為迅速，但相比國外技術還有很多不足，相信在未來的發(fā)展中，我國會越來越多的應用機械手和發(fā)展機械手[1]。工業(yè)機械手是現(xiàn)代工業(yè)生產中非常常見的一種自動化裝置。它不僅能實現(xiàn)搬運，還運用其他機器進行焊接、裝配還有噴漆等。物料搬運機械手在國內外同行業(yè)的應用，應用如下：1、在熱加工方面的應用由于熱加工產生極高的溫度，工作環(huán)境惡劣并且繁重，這里最主要的是確保人的生命安全，其次是為了提升工作效率及生產率，尤其在熱加工特別笨重零部件的時候，機械手的優(yōu)勢便更大的展示出來了。2、在冷加工方面的應用在冷加工方面只需要機械手進行刀具的更換和進行物料的搬運。近期更在自動加工生產線上運用，使之在機床和設備各段工序的銜接上起到了極大的作用。3、在鐵路系統(tǒng)的應用由于鐵路系統(tǒng)中鋪設鐵軌，搬運鐵軌及其他附屬部件，更由于經常會進行安裝拆卸已及維修的勞動強度是非常大的，機械手的出現(xiàn)給該行業(yè)帶來了福音。機械手極大的減輕了人的勞動強度，改善勞動條件，提高了工作效率，為鐵路建設做出了巨大貢獻。這幾十年來，更高智能化和適應性的機械手在行業(yè)內出現(xiàn)，更多的機器人種類也出現(xiàn)了，在未來的工業(yè)發(fā)展中，機械手將越來越多的被應用，生產率也將進一步被提高。1.1.2機械手的應用意義通過各個部分的協(xié)作，機械手能夠順序進行手爪的張開、夾緊、手臂上、下運動、張開物料、復位等運動，進而替代人進行有用的機械功[2]。機械手的應用意義在于：1、生產過程更為自動化；2、可以改善人的勞動條件，避免因操作失誤而造成的意外傷害；3、可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產，提高生產率。機械手必然成為工業(yè)產業(yè)發(fā)展中的重要手段。它是效法人的手臂及手部的部分能力，依照預期的目的的搬運物料或夾持機器進行操作的自動化科技裝備。這類新式技術裝備的出現(xiàn)和應用，對現(xiàn)實生產工業(yè)的自動化，推進著工業(yè)的發(fā)展，所以賦有強大的發(fā)展力和生命力，受到世界各國的廣泛歡迎和重視。長期的實踐證明：機械手可替代人手進行各種勞動，機械手可以大大的降低人的勞動強度，明顯提高工作效率。生產產業(yè)中經常出現(xiàn)極重的物料的搬運和長期、單調、繁重的動作，運用機械手動作是非常有效果的；另外，它能在在危險地帶、噪音大、高壓、多粉塵、高溫、空間狹窄、污染等環(huán)境中下進動作，其優(yōu)越性得到更大的提高，機械手的進步勢在必行[3]。1.2工業(yè)機械手的發(fā)展1.2.1工業(yè)機械手的發(fā)展歷史隨著社會的進步以及對生產力和生產率的要求,有著高科技技術，相當廣的應用范圍，作為現(xiàn)代生產和現(xiàn)代社會的支持，工業(yè)機械手會在未來發(fā)揮出更大的作用。工業(yè)機械手將推動社會進步到更高的階段。根據具體的數據統(tǒng)計人工智能機器人的出現(xiàn)以及工業(yè)機械手的面市，機器人機械手產業(yè)一直處于高速發(fā)展階段，每年以超過十個百分點的速度增長，相信在將來機械手的發(fā)展還會持續(xù)性增長。由于世界各國的重視和研究發(fā)展，工業(yè)機械手早已在各行各業(yè)中起著至關重要的作用，也在其他的的產業(yè)中起著至關重要的作用。在制造業(yè)，尤其是在汽車行業(yè)，工業(yè)機器人機械手已經被普遍采用。再如在毛坯的成型（鑄造、焊接、鍛造、機械加工、沖壓等）、裝配、熱處理、噴漆、測試等加工工藝上，機械手的應用已經達到了非常高的高度，極大的降低了人的勞動強度，研究更高智能化的機械手勢在必行。最先的提出了工業(yè)機器人的概念是戴沃爾，在1954年是一位來自美國的科學家。他的專利的主要內容是采用伺服控制技術控制機械手的各個關節(jié)進行各種動作，到現(xiàn)在還有許多的機器人機械手還有是這樣的控制方式。再到1958年，世界上第一個機器人公司被稱作為“工業(yè)機器人之父”的約瑟夫·英格伯格組建。伴隨著智能化技術和微機技術的發(fā)展，使機器人機械手在功能和技術上上有了非常的提高。七十年代初，我國才進行工業(yè)機械手的研制，由于出發(fā)比較晚，落后那些國外同行很多，因此我國靠引進國外的機械手技術來彌補我國機械手研究中的不足，但是其中仍然有許多核心技術我國無法破解，所以我國的機械手以及機器人發(fā)展仍然落后于外國同行。相比而言，日本可以說在那段時間里可以說是發(fā)展最為迅速的，加速了日本的經濟增長。八十年代初，在高新科技熱潮的助力下，機器人以及機械手的發(fā)展引起我國的重視。研發(fā)出了電焊、噴涂和物料搬運機器人機械手以及裝配機器人等。我國研究工業(yè)機械手也有幾十年了，雖然也在進步，但是與國外差距依舊明顯。由于很多核心技術難以研究出來，影響了我國機器人發(fā)展的進程，不過相信在未來會達到我國的機器人以及機械手發(fā)展追上將會與其他研究機器人的發(fā)達國家[4]。1.2.2機械手的發(fā)展趨勢我國的工業(yè)發(fā)展速度非?？?，因此，工業(yè)機械手的需求也是非常大，但是我國的機械手性能和數量上都處于嚴重不足的狀態(tài)。許多高級的機械手都依靠從國外進口。因此，用來大幅減輕人的勞動強度，提高勞動條件的各類機械手也被逐步研究出來，主要在鑄造、焊接、鍛造、機械加工、沖壓等）、裝配、熱處理、噴漆、測試等方面。在我國，用得最多的還是第一代的機械手，這種機械手結構簡單，讓它動作還得靠人手動控制，這種機械手成本低，需要操作人員擁有一定的操控技術含量。然而第二代的機械手。它是用一個微機控制系統(tǒng)。通過各種傳感器反饋觸覺、視覺乃至聽覺的能力。正在加緊研發(fā)中的第三代的機械手更是可以進行許多高難度動作。由于微機和顯示設備的發(fā)展，將進一步成為FMS和FMC中重要的一環(huán)，第二代機械手要求編程人員需要高技術。機械手一般分為很多種，但一般結構都大致相同，不同的地方在于它的手部的夾緊裝置或者所持機器的不同。一般來說機械手的種類的劃分和其系統(tǒng)有著很大的關系，由控制機械手所執(zhí)行的操作不同來分。由于國外的機械手發(fā)展更早。他們的機械手早已應用于機床、切割、鍛造、焊接、噴漆等操作，它可以根據預設程序操作，卻沒有任何反饋傳感能力，無法應對外部世界的變化。如果有一些變化，可能會導致部分或機械損傷。在國外,因此,機械手的發(fā)展趨勢是開發(fā)機械手具有一定的智能，它有一個感應能力，可以通過反饋的外部環(huán)境，從而作出相應的改變。比如一個在錯誤的地方，即時的檢測出來并且自我糾正偏差，視覺和觸覺功能便是主要要研究的內容。具有視覺功能的機械手，其本質上就是在機械手加裝了攝像頭和距離傳感器還有信號接收發(fā)送器，再通過電能的智能分析來控制機械手進行動作。雖然說上去簡單，其實研究并不簡單。具有觸覺功能的機械手，主要在機械手的手部裝有觸覺傳感器通過手指的觸碰來進行物料的抓取。如今的傳感器研究已經有了很大的提高，相信裝配有視覺和觸覺系統(tǒng)的機械手會慢慢替代上一代機械手，隨著這一代更加智能化機械手的出現(xiàn)，工業(yè)生產會更上一個臺階。如今最為重要就是把機械手融入到FMS和FMC中去，這樣將極大的增加生產率，而不需要太多的人力，從而實現(xiàn)自動化生產。當前工業(yè)機械手的發(fā)展情況主要是以下幾點：1、由于研究開放機械手的國家多了，機械手的工作性能也越來越好，當然這也導致了普通機械手的價格也越來越便宜，但是高新機械手的價格還是很高的。2、機械手上的組件逐漸的開始走向標準化和模塊化，這降低了成本，也方便了零件損壞后的更換。3、工業(yè)機械手的發(fā)展正在朝著開放系統(tǒng)的方向研究，這樣能讓更多的人學習和研究機器人以及機械手。越多人研究機械手以及機器人，該行業(yè)的發(fā)展就越快。4、機如今的傳感器研究已經有了很大的提高，自從觸覺和視覺等更高級機器人的出現(xiàn)，機械手的發(fā)展也越來越快越來越高科技化。5、現(xiàn)在的機器人以及機械手技術也已經越來也成熟，計算機能在虛擬現(xiàn)實中進行智能分析和計算出現(xiàn)實中的實際位置，然后進行各種動作。6、如今，機器人已經走出實驗室走出工廠，進入到人們的日常生活中了，在人們的生活中起著重要的作用，比如說，智能掃地機器人，機器人餐廳，自動平衡車等，都運用到了機器人技術。7、目前，機械行業(yè)已經運用到工業(yè)機械手幾十年了，其中經歷了多次變革，隨著機器人技術的高速發(fā)展，工業(yè)機械手的發(fā)展也得到了更大的提高，在這個自動化裝備的助力下，首先美國、日本等發(fā)達國家經濟迅速增長，再者發(fā)展中國家也得到了迅速的發(fā)展，在機器人以及機械手未來的發(fā)展中必將起著重要的作用。在接下來的機器人研究中必將走向開放式，標準化，模塊化的發(fā)展之路，但這只限于普通機械手的研究，高新的產品還是擁有核心技術，我國只能靠進口外國的產品，卻很難引進外國的高新技術，所以在未來的研究工作中，我國還需更加努力地創(chuàng)新，我國要走科技強國之路這樣才不會落后[5]。1.3本文的結構本文以物料搬運機械手的研發(fā)工程項目作為應用背景，對機械手結構進行了設計，機械手結構類似于圖1-1中最上方的懸臂式機械手。全文共分為四章，各章的主要內容如下：第一章扼要地介紹了機械手的應用情況還有機械手的發(fā)展歷史以及機械手的發(fā)展趨勢；第二章研究了物料搬運機械手的總體設計方案，選擇了氣缸和電機為驅動方式；第三章對機械手機械部分進行了研究，給出了Z軸方向采用氣缸驅動，X、Y軸方向采用電機驅動的驅動方案，并討論了氣缸、氣爪、導軌、電機、軸承和滾珠絲杠的設計和選型方法；第四章歸納了全文的設計工作，以及存在的問題。圖1-1機械手外形圖物料搬運機械手總體設計方案2.1設計目標三自由度直角坐標式物料搬運機械手的設計，包括機械手手的總體、運動、驅動、造型設計等。本設計主要是機械手的結構設計，在綜合考慮機械手的所需要求后，能夠更好的設計出合理而優(yōu)化的機械手。本設計為直角坐標式三自由度物料搬運機械手結構設計，工作方向為X軸左右平移，Y軸前后平移，Z軸上升下降三個方向。設計了由電機和氣缸驅動的直角坐標式三自由度機械手，可以使物料從某個地點沿指定路線搬運至預定位置，以實現(xiàn)搬運的功能。2.2總體方案分析2.2.1搬運機械手的組成檢測系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)驅動系統(tǒng)控制系統(tǒng)檢測系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)驅動系統(tǒng)控制系統(tǒng)圖2-1組成框架圖它一般是由控制系統(tǒng)、機械系統(tǒng)（執(zhí)行系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)）及檢測系統(tǒng)組成。1、執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是機械手執(zhí)行動作所必須的構件的集合。2、驅動系統(tǒng)：驅動執(zhí)行系統(tǒng)進行動作。常用的機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電機傳動。3、控制系統(tǒng)：控制驅動系統(tǒng)進行動作，即控制執(zhí)行系統(tǒng)按照預計的程序進行動作。4、檢測系統(tǒng)：通過各類檢測傳感裝置檢測執(zhí)行系統(tǒng)的狀況，在產生錯誤或故障時發(fā)出警告，然后進行反饋。2.2.2機械系統(tǒng)設計分析本物料搬運機械手設計只是設計結構，也就是設計機械部分。機械部分主要是分為驅動部分和執(zhí)行系統(tǒng)。各部分系統(tǒng)分析如下：執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)是機械手執(zhí)行動作所必須的構件的集合。這里包括了機座、手臂梁、手腕梁等驅動系統(tǒng)：是實現(xiàn)機械手運動的動力系統(tǒng)，用來驅動執(zhí)行元件進行動作。常用的機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電機傳動。2.3物料搬運機械手的運動及驅動方式2.3.1機械手的運動機械手的運動包括自由度數、運動規(guī)劃、運動方式和運動范圍。本設計為三自由度機械手又稱3D機械手。自由度是設計機械手時重要設計參數。自由度越多設計難度就越大，設備也就越龐大，成本也就越高。因此，除了在特殊要求所使用的機械手，其他在滿足設計要求的情況下，要盡可能的減少機械手的自由度，這樣做不僅僅是為了節(jié)約成本，還是對設計人員的工作的減輕，一般情況下三自由度機械手已經滿足工作需求[6]。要實現(xiàn)直角坐標式三自由度物料搬運機械手在不同的方向抓取物體。其運動系統(tǒng)主要由四個個部分組成：X及Y軸方向水平移動、Z軸方向上下移動（即橫向和縱向和豎向)）和手爪的運動系統(tǒng)[7]。運動傳動方式是將動力源的運動傳遞到實現(xiàn)自由度運動的過程，本設計中X、Y方向為電機的回轉運動通過滾珠絲杠轉換為直線運動，Z方向為氣缸的直線移動，根據結構的需要和驅動力的大小，對各個方向的構件進行選型和設計。運動方式有俯仰型、屈伸型、直移型和回轉型四種方式。運動規(guī)劃包括：抓持規(guī)劃、指態(tài)規(guī)劃（gaiting）。抓持規(guī)劃的核心問題是如何選擇手指和手掌相對物體的位置，簡稱抓持位形。其中包括如何判斷穩(wěn)定性，如何計算和優(yōu)化接觸點和接觸力[8]。指態(tài)規(guī)劃的核心問題是如何確定手指的運動，以實現(xiàn)期望的物體運動。這是一個復雜的動態(tài)計算過程，需要保證手指在可達空間內的運動，運動過程中各手指之間沒有干涉，以及接觸力保持平衡[9]。遠動范圍為機械手在機架內各方向所能移動的極限距離。本設計X向最大位移2967mm，Y向最大位移1400mm，Z向上下升降位移1200mm。由物料搬運機械手的運動分析，再從所需要實現(xiàn)的功能，對物料搬運機械手的動作過程分析如圖2-2所示：原點原點下降抓緊X,Y,Z方向的運動放松圖2-2機械手工作過程2.3.2機械手的驅動動力假手和機械手都根據要求來確定自由度，然后選擇合適的驅動裝置來實現(xiàn)各自由度的動力化。具體來說，動力假手可以用電力、氣壓（二氧化碳）和液壓等作為動力源，而機械手可以用電力、空氣和液壓作為動力源[10]。常用的機械手驅動方式有氣壓驅動、液壓驅動和電機驅動三種方式。三種驅動方式的優(yōu)缺點見表2-1：內容驅動方式液壓驅動氣動驅動電機驅動輸出功率油液輸出壓力大，功率也就大氣動輸出壓力較小，功率也就稍小輸出功率較大控制性能可實現(xiàn)無級變速，，功率可以很大，運動精度高低速時難以控制，功率不是太大，運動精度也不是很高控制靈敏，功率可大可小，速度控制較為方便，運動精度也高，但控制系統(tǒng)較為復雜響應速度很高較高很高結構性能及體積結構緊湊適當，驅動簡單，液壓系統(tǒng)標準化，模塊化，體積可大可小依照功率而定，要重視密封問題結構緊湊適當，驅動簡單，氣動系統(tǒng)標準化，模塊化，體積可大可小依照功率而定，也要處理密封問題結構稍復雜，結構性能好，伺服電機標準化，體積可大可小依照功率而定，不用考慮密封問題安全性結構比較安全，當系統(tǒng)壓力過大時有溢流裝置，液壓油可能會造成火災危險結構相對安全，若氣孔阻塞，可能會出現(xiàn)爆缸現(xiàn)象，不會產生火災危險電機本身無爆炸危險，在某些特定條件下可能會產生火花，有一定的火災危險對環(huán)境的影響會對環(huán)境造成污染，液壓系統(tǒng)容易出現(xiàn)漏油現(xiàn)象漏油會對環(huán)境造成噪音污染，排氣吸氣時會產生噪音電機運轉噪音小，不造成污染表2-1機械手驅動方式表本物料搬運機械手的結構設計Z軸上下升降方向采用氣動方式，氣動方還式可以驅動氣爪進行物料的抓取與松開。氣動方式結構除了有點噪音污染，但緊湊適當，驅動簡單，氣動系統(tǒng)標準化，模塊化，體積可大可小依照功率而定，密封問題也不太大。本物料搬運機械手的結構設計X及Y軸橫向及縱向方向采用電機驅動滾珠絲杠副的方式，對環(huán)境幾乎無污染，伺服電動機易于控制，結構緊湊，無密封問題。控制系統(tǒng)稍復雜，結構性能好，伺服電機標準化，電動機一般需裝配減速裝置但也可不裝配，自由性好，體積可大可小依照功率而定，不用考慮密封問題。

第三章機械系統(tǒng)的設計3.1氣缸的選擇氣動的執(zhí)行元件是把空氣壓縮然后推動物件進行各種方式的動作。它也是一種能量轉換裝置。一般分為氣馬達和氣缸兩種。氣缸一般做直線往復運動，但也有可做擺動運動的氣缸，氣缸的種類還有很多。氣馬達一般做回轉運動，由于運用并不多，已經漸漸的不怎么使用了。氣動的執(zhí)行元件也是需要控制的，這就要用到控制元件，可以控制執(zhí)行元件的運動方向，速度和壓力，一般分為方向控制閥和壓力控制閥以及流量控制閥。氣缸有很多種分類方法，可以按結構原理、安裝形式、驅動方式、用途等來分類。這里就簡單的介紹一下氣缸按結構原理和安裝形式來分。氣缸的安裝形式可分為1、固定式氣缸：這種氣缸是用某些方法固定安裝在機器上的。2、軸銷式氣缸：這種氣缸可以圍繞銷軸做一定程度的擺動。3、回轉式氣缸：這種氣缸一般固定在卡盤上，用于實現(xiàn)手爪的抓緊與松開。4、嵌入式氣缸：這種氣缸是焊接或者直接在機體上制造。氣缸的結構原理分為：普通氣缸：這類氣缸用作普通用途無特殊用途?？煞譃殡p作用和單作用氣缸。2、特殊氣缸：這類氣缸在普通氣缸完成不了動作的情況下使用。以下為特殊氣缸的分類。特殊氣缸又分為：1、薄膜式氣缸：這種氣缸是一種單作用活塞式氣缸，并且?guī)в袕椈蓮臀还δ?。工作時利用薄膜片壓縮空氣進行動作，它的特點在于結構性能好，結構簡單緊湊，行程范圍很短一般只用于短行程場合，體積很小便不易漏氣，密封性能很好，成本很低，維修也方便。2、磁性開關氣缸：這種氣缸裝有磁性開關，磁性開關即可用于檢測活塞行程狀態(tài)，又可以控制活塞進行往復直線移動，這種氣缸不適合在磁力環(huán)境中使用，會影響磁性開關的使用，也不適合行程太長的場合，但其結構簡單緊湊，可以不用檢測反饋裝置，成本低，該類氣缸也得到了很多的應用。3、帶閥氣缸：其實這種氣缸并不能完全被稱為氣缸，因為它是換向控制閥，流量控制閥或者速度控制閥和氣缸的組合。它可以直接驅動氣缸進行各種動作。這種氣缸運用場合多變，轉變氣缸種類即可適應各種場合的要求。4、帶導桿氣缸：該種氣缸帶有導向桿，適用于承受載荷較大并要求導向精度高的場合。5、無桿氣缸：這類氣缸有一個活塞，且沒有活塞桿，是在導軌上安裝的活塞裝置，外部負載與活塞相連，實現(xiàn)往復運動依靠吸氣和排氣。該氣缸可以節(jié)省安裝空間，它能以小的安裝空間實現(xiàn)大行程。鎖緊氣缸：可以實現(xiàn)在各種方位的緊鎖。7、氣動氣爪：這類是變換了形態(tài)的氣缸，在各種自動生產線上應用廣泛，利用其夾持力夾持物料。8、氣液阻尼缸：其實這種氣缸是用氣動推動油液然后進行運動，其實就是變相的液壓傳動，多用于速度穩(wěn)定均勻，大負載的場合。9、擺動氣缸：該類氣缸能實現(xiàn)一定角度的擺動，只適用于一些需要擺動的場合。氣缸的選型步驟氣缸的選型是根據用戶需要和適用場合而定，下面就介紹一下大多數氣缸的選型步驟。氣缸缸徑要利用氣缸所受的載荷來計算，并要考慮上載荷率，這樣才能計算出缸徑。氣缸的行程要根據使用場合來定，行程要保留安全余量，避免碰撞，所以不能使用最大行程。氣缸的強度和穩(wěn)定可靠性分析要分析其載荷，分析其強度，及其工作是否穩(wěn)定可靠。4、氣缸的安裝形式安裝形式一般根據用戶要求和使用目的來定。固定式氣缸是應用最為廣泛的。氣缸的緩沖裝置一般慢速氣缸可以不采用緩沖裝置，但快速以及高速氣缸必須采用緩沖裝置，防止沖擊造成損壞。磁性開關在需要用到磁性開關的電氣控制時才選用。其它要求根據使用情況和用戶目的所要求的特殊氣缸。圖3-1SMC各類氣缸外形圖氣缸直徑計算要利用氣缸所受的載荷來計算，并要考慮上載荷率，這樣才能計算出缸徑。這里進行Z軸上下伸降氣缸的選型計算：氣缸快進速度=0.5m/s設定工件等運動件質量約為m＝75kg與導軌的摩擦系數＝0.25氣缸行程s為1200mm系統(tǒng)工作壓力p=0.5MPa解：氣缸實際軸向負載＝0.25750＝188N選定負載率＝0.5則氣缸理論輸出力氣缸理論推力氣缸的直徑按氣缸選型標準選擇氣缸缸徑為40mm的SMC機械接合式無桿氣缸MY1B。其滿行程為5000mm，這里取1200mm即可。無桿氣缸里有活塞，而沒有活塞桿的，活塞安裝在導軌上，活塞又與外部負載相連，靠吸排氣可實現(xiàn)動作。節(jié)省安裝空間以及實現(xiàn)大行程。圖3-2SMC無桿氣缸選型圖無桿氣缸特點1、同行程條件下，無桿氣缸比其他普通氣缸少一半的安裝空間。2、無需裝配防轉機械；3、適用缸徑范圍為10-80mm，滿行程可達41.5m；4、速度可達10m/s。無桿氣缸缺點1、密封不是很好，較容易產生泄漏；2、所能承受的負載小，如果要增加承受的負載能力，須加裝導向裝置。3.2氣爪的選擇氣動手爪是變換了形態(tài)的氣缸，在各種自動生產線上應用廣泛，利用其夾持力夾持物料。圖3-4SMC氣動手爪外形圖這里進行氣動機械手爪的選型：抓取的重物氣爪與重物間的摩擦系數系統(tǒng)工作壓力則氣爪的加持力F為根據SMC氣爪選型手冊：圖3-5SMC氣動手爪選型圖這里選擇SMC的MHS2型氣爪，尺寸63，外徑夾持力502N。3.3絲杠的設計滾珠絲杠可將直線運動轉換為回轉運動或者回轉運動轉換為直線運動，它是一種運動形式轉換裝置。一般來說將回轉運動轉換為直線運動用的比較多。滾珠絲杠同時也是非常精密的傳動及運動轉換裝置。常用于精密機械儀器及機床上，運用極為廣泛。滾珠絲杠是由鋼球、螺桿、螺母、防塵器、預壓片、反向器等組成。滾珠絲杠又分為內循環(huán)滾珠絲杠和外循環(huán)滾珠絲杠，這是由循環(huán)方式分的。滾珠絲杠在運動時鋼珠在運動過程中會與絲杠脫節(jié)的循環(huán)方式就是外循環(huán)，在運動時鋼珠在運動過程中一直與絲杠保持接觸的循環(huán)方式就是內循環(huán)。圖3-6滾珠絲杠外形圖其特點如下：1、摩擦損失小、傳動效率高由于滾珠絲杠副做的是滾動，滾動是點接觸，比滑動摩擦損失小得多，因此傳動效率就高，在驅動同樣力的情況下，滾珠絲杠所消耗的能量也少，所以也較為省電。2、精度高滾珠絲杠在機械行業(yè)中可以說是精度最高的傳動機械之一，其高精度的特點也得到了整個行業(yè)的好評。3、高速和微進給可能由于滾珠絲杠副做的是滾動，啟動力矩小，可進行高速或者微進給。4、軸向剛度高滾珠絲杠可以施加預緊，會把軸向間隙調整得很小甚至是負值。這樣會增加絲杠剛性，從而提高其運轉平穩(wěn)性。。不能自鎖、具有傳動的可逆性設定：快進速度工進速度最大加速度工作臺摩擦力Y軸工作行程X軸工作行程導程Y軸絲杠長度Z軸絲杠長度Y軸方向受力≈150kgX軸方向受力≈300kg3.3.1Y軸絲杠的設計選型確定動載荷工作循環(huán)周期T由加工時間和加速時間組成：在減速期間的平均速度為工進時轉速為當量轉速為載荷系數查表取當量載荷為取滾珠絲杠壽命為20000h=14736N確定靜載荷靜態(tài)安全系數查表取根據軸向壓力選取絲杠直徑查表故取轉速限制最大轉距限制取A=60000得由取絲杠直徑15mm根據上述選型計算選擇R15-16K2-FSC-1878-1955-0.018型上銀滾珠絲杠3.3.2X軸絲杠的設計選型1、確定動載荷在減速期間的平均速度為工進時轉速為當量轉速為載荷系數查表取當量載荷為取滾珠絲杠壽命為20000h=29449N2、確定靜載荷靜態(tài)安全系數查表取3、根據軸向壓力選取絲杠直徑查表故取4、轉速限制最大轉距限制取A=70000得由取絲杠直徑40mm根據上述計算選擇R40-6T3-FDI-3058-3250-0.012型上銀滾珠絲杠。3.4導軌的選擇導軌是用金屬制作而成的卡槽或卡脊，用于承受載荷，減少摩擦或者導向的作用，導軌定位精度高，摩擦損失小，承載能力根據需求可大可小，是減少能量損失節(jié)約能源及節(jié)約成本的一大利器。導軌一般分為滾輪和滾珠導軌，滾輪導軌適用于需要承受特別大載荷的情況下，一般情況下用滾珠導軌即可。圖3-7導軌外形圖直線滾動導軌的特點：定位精度高直線滾動導軌相比直線滑動導軌，摩擦系數大幅度降低，摩擦阻力大大降低，大幅度降低驅動扭矩，從而它的定位精度會非常高，甚至是微米級。降低機床造價并大幅度節(jié)約電力直線滾動導軌相比直線滑動導軌，摩擦系數大幅度降低，摩擦阻力大大降低，從而大幅度減少發(fā)熱，從而減少了能量的流失，也就節(jié)省了電力，更減少了磨損，從而也降低了機床的成本。3、可提高機床的運動速度直線滾動導軌相比直線滑動導軌，摩擦系數大幅度降低，摩擦阻力大大降低，從而提高了機床的運行速度，更是提高了機床的工作效率?？砷L期維持機床的高精度直線滾動導軌相比直線滑動導軌，摩擦系數大幅度降低，摩擦阻力大大降低，從而大幅度減少發(fā)熱，從而減少了能量的流失，也就節(jié)省了電力，更減少了磨損，從而也降低了機床的成本，在這降低成本的背后，它還有著更好的設備維護和更好的精度，而且在不受撞擊的情況下不易磨損，這就給予了機床長期的高精度。這里進行XYZ三軸上方向上導軌的選型計算：Z軸的直線滾動導軌的預估長度L為由此式估算出Y軸的直線滾動導軌的預估長度L為由此式估算出X軸的直線滾動導軌的預估長度L為由此式估算出其中L導軌長度H滑塊的導向面長度S滑塊行程封閉高度調節(jié)量滑塊上升到上死點時，超出導軌部分的長度滑塊下降到下死點時，超出導軌部分的長度Z軸方向初選直線導軌ABBA的BRH28BL導軌。其額定動靜載荷分別為其工作臺最大重量75kgG=mg=750N對滾動導軌的額定壽命計算式中L額定壽命（km）Ca額定動載荷（KN）P當量動載荷（KN）Fmax受力最大滑塊收受的載荷（KN），為FwZ導軌上的滑塊數，選4指數，當導軌體為滾珠時為3K額定壽命（km），由于選用的是滾珠而不是滾輪，所以選50kmfh硬度系數，通常選1Ft溫度系數，工作環(huán)境小于100攝氏度，選1fc接觸系數，系數可選0.81，由于每條導軌上有2個滑塊fa精度系數，無明顯沖擊和振動，取1.5fw載荷系數，載荷平穩(wěn)無沖擊，因此取載荷系數為1則L=31656km壽命時間計算當行程長度一定，以h為單位的額定壽命為：假如每天工作大約6個小時，假如每年大約工作300天，則預期壽命的工作的年限為：同理可得：Y軸L=33247kmX軸L=35697kmX、Y、Z三個軸方向的直線導軌都可選擇ABBA的BRH28BL導軌。3.5電機的選擇電機可以將電能轉換為機械能。更準確的說是轉換為回轉運動，它是一種能量轉換裝置。電機被廣泛運用于現(xiàn)代機械及人們的日常生活中，大到幾十千瓦幾百千瓦，小到零點幾瓦。圖3-8電機外形圖機械手的電機驅動一般用伺服電機或者步進電機。步進電機特點：1、步進電機的角位移準確，其角位移根據其脈沖大小來決定，它不容易產生誤差。2、步進電機動作響應快，易于實現(xiàn)正反轉、啟停和變速動作，但也可能造成失步現(xiàn)象。3、速度可調節(jié)性更強，轉矩可以很大，可直接驅動外部負載部件而不用裝配減速裝置。4、步進電機由于其使用的電源只能為脈沖電源，脈沖電還需配備專用的電源轉換裝備，因此制約了它的發(fā)展。伺服電機特點：起動轉矩大，抗過載能力也大，非常適用于快速啟動和負載經常變化的場合。運行范圍廣，轉速范圍一般在2000-3000，無自轉現(xiàn)象。運轉穩(wěn)定，響應快，運動靈敏。電機運轉時噪音低和發(fā)熱小。總結上述步進電機和伺服電機的特點：本直角坐標式三自由度機械手選擇伺服電機驅動。伺服電機又分為直流和交流式，雖然直流式伺服電機各項性能都比較好，但由于交流式運用更為廣泛，選擇交流伺服電機。3.5.1Y軸電機的設計選型Y方向電機重量的初步估算（Z方向工作臺，機械手重量，及抓重40kg，Z軸滑塊重量）W=150kg1、計算負載力矩：（3-1）沿一個坐標軸方向移動部件運動所需的力F為（3-2）根據ABBA直線導軌技術手冊：摩擦系數；鑲條鎖緊力直線導軌單片刮油片助力將上述各參數代入式（3-2）整理可得=94.08N伺服電機軸和軸承與滾珠絲杠副之間的摩擦力矩為（3-3）（3-4）根據上銀滾珠螺桿技術手冊：摩擦系數工作臺質量W=150kg導程驅動系統(tǒng)效率將上述各參數代入式（3-3）中，整理可得:=0.13將上述摩擦力矩以及力F的計算結果代入式（3-1），整理可得：=0.2962、計算負載慣量（3-5）圖3-9水平電機伺服電機慣量計算示意圖其中，橫走方向滾珠絲杠副的慣量為（3-6）根據上銀滾珠螺桿技術手冊材料的比重；滾珠絲杠副的直徑；長度；將上訴各個參數代入式（3-6），整理可得:=0.01=0.001Y方向工作臺直線移動時的慣量為(3-7)根據初步估算，重量W=150kg：電機一轉機械手沿直線移動距離L=1cm；將上述參數代入式（3-7），整理可得：故綜上所訴，伺服電機軸上驅動系統(tǒng)的總慣量3、伺服電機慣量匹配的計算在機械傳動中，處在傳動中的部件也都是有質量的，因此就會存在著慣性，其慣性大小的物理量稱為慣量。不管是什么類型的慣量，對整個伺服進給系統(tǒng)的動態(tài)響應特性影響非常大。所以必須使負載的慣量合理的匹配電動機的慣量，通常情況下會要求負載慣量盡量小些，因為小的負載慣量，系統(tǒng)響應速度就越快，響應速度可達幾十毫秒內，也不容易發(fā)生共振。所以，負載總慣量與伺服電機慣量之間匹配關系須滿足以下關系：（3-8）將代入式（3-8）中，整理可得綜上所訴，選用的伺服電機的慣量范圍在之間4、伺服電動機的轉速范圍為了滿足物料搬運機械手快速進給以及物料取出時間的要求，結合初選的滾珠絲杠的參數，伺服電動機轉速應滿足：（3-9）機械手原始參數要求，；滾珠螺桿的導程；將上述參數代入式（3-10），整理可得：取5、伺服電機的功率計算推動機械手橫行方向運動所需的力等于沿橫行方向移動部件運動所需的力F和滾珠絲杠螺母副以及軸承帶來的阻力，即：那么，Y方向伺服電機所需要的功率為考慮到機械損耗，故將求出的最低功率乘以1.5倍系數，取P=200W。根據計算數據，查詢圖3-10：P=200W圖3-10SM伺服電機選型圖選擇SM60-006-30LFB型號博美德電機。3.5.2X軸電機的設計選型重量的初步估算（Y及Z方向工作臺，機械手重量，及抓重40kg，Z軸滑塊重量）W=300kg1、計算負載力矩：（3-1）沿一個坐標軸方向移動部件運動所需的力F為（3-2）由ABBA導軌選型手冊得：摩擦系數；鑲條鎖緊力直線導軌單片刮油片助力將上述各參數代入式（3-2）整理可得=152.88N伺服電機軸和軸承與滾珠絲杠副之間的摩擦力矩為（3-3）（3-4）根據上銀滾珠螺桿技術手冊：摩擦系數工作臺質量W=300kg導程驅動系統(tǒng)效率將上述各參數代入式（3-3）中，整理可得:=0.26將上述摩擦力矩以及力F的計算結果代入式（3-1），整理可得：=0.532、計算負載慣量（3-5）其中，橫走方向滾珠絲杠副的慣量為（3-6）根據上銀滾珠螺桿技術手冊材料的比重；滾珠絲杠副的直徑；長度；將上訴各個參數代入式（3-7），整理可得:=0.064=0.0064X方向工作臺直線移動的慣量為(3-7)根據初步估算，重量W=300kg：電機一轉機械手沿直線移動距離L=1cm；將上述參數代入式（3-8），整理可得：故綜上所訴，伺服電機軸上驅動系統(tǒng)的總慣量3、伺服電機慣量匹配的計算所以，負載總慣量與伺服電機慣量之間匹配關系須滿足以下關系：（3-8）將代入式（3-8）中，整理可得綜上所訴，選用的伺服電機的慣量范圍在之間4、伺服電動機的轉速范圍伺服電動機轉速應滿足：（3-9）機械手原始參數要求，；滾珠螺桿的導程；將上述參數代入式（3-10），整理可得：取5、伺服電機的功率計算推動機械手X軸方向運動所需的力等于沿滾珠絲杠螺母副以及軸承帶來的阻力和X軸方向移動部件運動所需的力F，即：那么，Y方向伺服電機所需要的功率為考慮到機械損耗，故將求出的最低功率乘以1.5倍系數，功率可取